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文档简介

1、第4章温度测量系统检测与自动化工程系杨波b第4章温度测量系统本章要求1.温度测量概述(温标、测温分类)2.膨胀式测温3.热电偶测温敏感机理、误差及补偿4.热电阻测温敏感机理、测量电路5.非接触测温方法6.半导体测温方法次重点!重点!目录4.14.24.34.44.54.64.7概 述膨胀式测温热电式温度测量 热电阻式温度测量非接触测温方法半导体测温方法工业测温仪表选型第4章作业4.1概述4.1.1温度的概念温度是表征物体冷热程度的物理量。它体现了物体运动状态的特征。分子温度是不能直接测量的。只能通过物体随温度变化的某些特性(如体积、长度、电阻等)来间接测量。如果两个冷热程度不同的物体相接触,必

2、然会发生热交换现象,热量将从温度高的物体向温度低的物体传递,直到两个物体处于热平衡状态时,两个物体的温度相等。2015/3/31 Tuesday44.1.2温标温标是温度的数值表示方法,是用来衡量物体温度的尺度。它规定了温度读数的起点(零点)和测量温度的,常用的温标:1. 经验温标T t 273.16 T90 273.16t90有可实现的固定点温度;有在固定点温度上分度的标准仪器;确定相邻固定温度点间的内插公式。2015/3/31 Tuesday5温标要求17个固定点温度ITS903.国际实用温标循环 K2. 热力学温标华氏温标 F摄氏温标 4.1.3 温度测量的主要方法及分类测温方法比较特点

3、:不适宜热容量小的物体温度测量;不适宜动态温度测量;便于多点、集中测量和自动控制测温范围:适宜1000以下的温度测量精度:测量范围的1%左右滞后:较大接触测量法基于热平衡原理,即测温敏感元件(传感器)必须与被测介质接触,是两者处于平衡状态,具有同一温度。水银温度计、热敏电阻、热电偶、 PN结非接触测量法特点:被测物体温度不变;适宜动态温度测量;适宜 表面温度测量。测量范围:适宜高温测量精度:一般在10左右滞后:较小热辐射原理,测温的敏感元件不与被测介质接触,利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度,辐射温度计、高温计、红外测温仪等。2015/3/31 Tuesday64.2膨胀式测温膨胀式

4、温度计利用气体、液体或固体热胀冷缩的特性液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计压力式温度计2015/3/31 Tuesday7液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计HD-WSS系列双金属温度计测量中低温度的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程中的-80+500范围2015/3/31 Tuesday8固体膨胀式温度计双金属温度计的突出特点是:抗震性能好,结构简单,牢固可靠,读数方便,但它的精度不高,测量范围也不大。2015/3/31 Tuesday9压力式温度计压力式温度计 威卡(德国 WIKA)气体状态方程PV=mRT。测量原理充惰性气体,带远传毛细管2015/3/31 Tuesday104.3热电式温

5、度测量热电偶测温4.3.14.3.24.3.34.3.44.3.5热电效应热电偶的工作原理 热电偶的基本定律热电偶的误差及补偿热电偶的组成分类及特点2015/3/31 Tuesday114.3.1热电效应热电效应效应电势电势效应由A、B两种不同材料的导体组成一个闭合路,当两接点的温度不等时,路中就会产生电势,从而形成电流,这一现象通常称为热电效应。该电势通常称为热电势。2015/3/31 Tuesday12回回4.3.1热电效应nB( Peltire)效应:nA1.eAB(T)当具有不同的电子浓度的A、B两种材料相互紧密地连接在一起时,电子会从浓度高的导体向浓度低的导体扩散,从而在接触处形成电

6、位差。电势:2.效应形成的电位差叫做接触电势(热电势)) 材料A、B在温度T时的n电子浓度2015/3/31 Tuesday13k常数, 1.381023 J / Ke 电子电荷量, 1.61019 Ce(T ) kT ln nA (T )ABen (T )BABAB4.3.1热电效应3.(Thomson)效应:eA(T,T0)TTT0T0对于单一均质导体A,当其两端温度不同时,电子由温度高的一端向温度低的一端扩散,从而在导体上形成电势差。4.电势(温差电势)所形成的电势差称为温差电势,或叫电势。导体A的温差电势为: A 材料A的系数(V/K)2015/3/31 Tuesday14TeA (T

7、 ,T0 ) T AdT04.3.2热电偶的工作原理1.热电偶的原理结构:ATT0TT0B2.热电偶中热电势示意图:eA(T,T0)A参考端冷端TeAB(T)T0eAB(T0)测量端工作端热端2015/3/31 TuesdayBeB(T,T0)154.3.2热电偶的工作原理3.回路电势计算:总接触电势总温差电势总热电势E(T ,T ) kT ln nA (T ) k)T0()dTAB0ABen (T )en(T )T0BB0A eA(T,T0)TeAB(T)T0eAB(T0)Be (T,T )B02015/3/31 Tuesday16TeA (T ,T0 ) eB (T ,T0 ) T ( A

8、 B )dT0e(T ) e(T ) kT ln nA (T ) k0 ) ABAB0en (T )en (T )BB04.3.2热电偶的工作原理4.分析热电偶的两种材料相同,则接触电势为零,温差电势相互抵消,热电偶回路内的总热电势为零;热电偶的两个电极材料不同果热电偶两接点温度相等,则温差电势为零,接触电势相互抵消,热电偶回路内的总电势为零;热电偶两个接点应处于不同温度场2015/3/31 Tuesday17E(T ,T ) kT ln nA (T ) k0 ) T ( )dTAB0en (T )en (T )T0ABBB0如4.3.2热电偶的工作原理E(T ,T ) kT ln nA (T

9、 ) k)T0()dTAB0ABen (T )en(T )T0BB0两个接点材料确定EAB (T ,T0 ) f (T ) f (T0 )两个接点的温度有关温度T0不变EAB (T ,T0 ) f (T ) C (T )回路电势是T的单值函数。热电偶测温基本原理2015/3/31 Tuesday184.3.2热电偶的工作原理热电偶实际应用:使用时用仪表直接测量回路电势,不再区分是温差电势还是接触电势;由于与接触电势相比温差电势甚小,所以使用时忽略温差电势;使用时采用查热电偶分度表来确定被测温度,分度表是通过实验建立的热电势与温度之间的数值对应关系; 分度表将端(冷端)温度定为0。2015/3/

10、31 Tuesday19热电偶分度表2015/3/31 Tuesday204.3.2热电偶的工作原理6、常用热电偶热电偶常以热电极材料命名,例如铂铑铂、镍铬镍硅等。热电极材料的要求:有300多种,广泛应用的有4050种。热电特性稳定,不随时间变化;热电势要大,热电特性应为线性或近似线性关系;电阻温度系数小,导电率高;4)制造方便,易于,有良好的互换性。标准热电偶规定了其热电势与温度的关系、允许误差有的标准分度表,有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶没有的分度表,用于某些特殊场合的测量。2015/3/31 Tuesday214.3.2热电偶的工作原理常用8种标准化热电偶会产生新的热电势吗?

11、型 号材料测量温度TT0S铂铑10铂-501768R铂铑13铂-501768B铂铑30铂铑601820K-2701372镍铬镍硅冷端温度为0N镍铬硅镍硅镍铬-E镍铬铜镍合金()镍铬-镍硅J铁铜镍合金()T铜铜镍合金()铜-铂铑10-铂铂铑30-铂铑62015/3/31 Tuesday4.3.3热电偶的基本定律1. 中间温度定律热电偶AB的热电势取决于热电偶的材料和两个接点的温度,而与温度沿热电极的分布及热电极的参数和形状无关。AAA+ TcTT0TTcT0BBBEAB (T,T0 ) EAB (T,TC ) EAB (TC ,T0 )热电偶分度表的理论基础。2015/3/31 Tuesday2

12、34.3.3热电偶的基本定律【例】用铂铑10-铂热电偶测量炉温时,当冷端温度T0=30时,测得热电势E(T,T0)=393V,求实际炉温。由T0=30查分度表得E(30,0)=173V,根据中间温度定律得:E(T , 0) E(T , 30) E(30, 0) 393 173 566V则查表得炉温T=89。2015/3/31 Tuesday24热电偶分度表E(T , 0) E(T , 30) E(30, 0) 393 173 566V2015/3/31 Tuesday254.3.3热电偶的基本定律2.中间导体定律在热电偶AB的任意部位接入第三根导体C,只要保持两接入点的温度相同,则导体C的接入

13、对路电势没有影响。AAT0ACTTcTCT0TT0BT0BBEABC (T ,T0 ) EAB (T ,T0 )EABC (T ,TC ,T0 ) EAB (T ,T0 )2015/3/31 Tuesday26导线将热电偶的热电势引入到仪表中进量的理论基础。Tc回4.3.3热电偶的基本定律根据中间导体定律,可以用开路热电偶对液态金属或金属壁面测温。2015/3/31 Tuesday274.3.3热电偶的基本定律3.标准电极定律任意两导体A、B分别与导体C组成热电偶,且这两个热电偶接点温度相同,则用导体AB组成的热电偶的热电势等于热电偶AC和热电偶CB热电势代数和。AAC+TT0TT0TT0BC

14、BEAB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) ECB (T ,T0 ) EAC (T ,T0 ) EBC (T ,T0 )方便了热电偶两个电极的选配2015/3/31 Tuesday284.3.3热电偶的基本定律在工程测量中,由于纯铂的物理化学性能稳定,高,易提纯,所以目前常将纯铂作为标准电极。标准电极定律为热电偶的电极选配提供了方便。较【例】铂铑30铂热电偶的EAC(1084.5 , 0)=13.976mV,铂铑6铂热电偶的EBC(1084.5,0)=8.354mV。根据标准电极定律:铂铑30铂铑6热电偶EAB(1084.5, 0)=13.9768.354=5.622mV。2015/

15、3/31 Tuesday294.3.4热电偶的误差及补偿1、热电偶的冷端误差及补偿分度表冷端参考温度0?(1)0恒温法(2)修利用中间温度定律:将冷端保持在某一恒定温度TC,将测得的电势值在加上一个常数即可。冰点槽示意图常数2015/3/31 Tuesday30EAB (T,T0 ) EAB (T,) TCEAB (TC,T0 )4.3.4热电偶的误差及补偿利用不平衡电桥产生的电势来补偿因冷端温度变化而引起的热电势变化值(3)补偿电桥法R1, R2, R3R4R 锰铜线绕制电阻(固定电阻) 铜线绕制补偿电阻(热电阻) 限流电阻 电桥电源E调整R4,使得电桥输出 Uab=0冷端误差补偿电桥热电势

16、Ex若Ex= Uab冷端温度R4 失衡 Uab U输出不变AB2015/3/31 Tuesday31补偿:平衡:全臂电桥:4.3.4热电偶的误差及补偿(4)延引热电极法用导线将冷端移至温度变化比较平缓的环境中,再采用上述补偿法进行补偿。便宜电极:直接延长贵重电极:采用与热电偶热特性相近的补偿导线EAB (T0,T0 ) EAB (T0,T0 )补偿条件2015/3/31 Tuesday32补偿导线的分类型号与分度号所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线。用它将热电偶的参比端延长到需要的地方,而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。随着热电偶的标准化,补偿导线也形成了标准系

17、列。国际电工也制定了国际标准,适合于标准化热电偶使用。2015/3/31 Tuesday33补偿导线型号配用热电偶的分度号补偿导线合金丝补偿导线颜色正 极负 极正 极负 极SCS(铂铑10-铂)SPC(铜)红绿(铜镍)KCK(镍铬-镍硅)KPC(铜)KNC(铜镍)红蓝KXK(镍铬-镍硅)KPX(镍铬)KNX(镍硅)EXE(镍铬-铜镍)EPX(镍铬)ENX(铜镍)红棕JXJ(铁-铜镍)JPX(铁)JNX(铜镍)红紫TXT(铜-铜镍)TPX(铜)TNX(铜镍)红白4.3.4热电偶的误差及补偿2、热电偶的动态误差及时间常数动态误差 T T T dTT测量温度gdt热电偶时间常数tTg T Tg T0

18、 e初始条件0,积分T=T运算2015/3/31 Tuesday34T T0 0.632 Tg T0 T T T T t0g01e 当t 时1dT 1 dt Tg TT T T dTgdt4.3.4热电偶的误差及补偿2、热电偶的动态误差及时间常数须减小,从而减小动态误差热电偶的时间常数(s)c 热接点的比热(J/(kgK) 热接点的密度(kg/m3) V热接点容积(m3)热接点与被测介质间的对流传热系数(W/m2K)A0热接点与被测介质间接触的表面积(m2)2015/3/31 Tuesday35 = cV A04.3.4热电偶的误差及补偿3、热电偶的其它误差:分度误差仪表误差与接线误差干扰和漏电误差测量仪表内阻要大测量导线电阻要小热电势在mV范,通常用动圈式仪表、电位差计、示波器和数字式测温仪表等测量。2015/3/31 Tuesday36围4.3.5热电偶的组成、分类及特点1.普通装配式热电偶用于测量液体和气

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